华南老堡组硅质岩中草莓状黄铁矿——埃迪卡拉纪末期深海缺氧的证据邵晰
常华进;储雪蕾;冯连君;黄晶
【摘 要】为恢复埃迪卡拉纪末期深海的氧化还原状态,我们对华南桂北泗里口剖面老堡组(大约550～540Ma)硅质岩中草莓状黄铁矿的粒径和分布进行了测量、统计和研究.老堡组硅质岩样品中普遍存在着草莓状黄铁矿,呈星散状分布,未见自形晶的黄铁矿颗粒和明显后期充填的草莓状黄铁矿集合体.硅质岩中草莓状黄铁矿颗粒的统计表明,它们具有很窄的变化范围,最大粒径小于18μm,大多数样品中草莓状黄铁矿的平均粒径和中间粒径均小于5μm.根据这些硅质岩中原生黄铁矿的粒径和分布,我们判定埃迪卡拉纪末期的深部海水是缺氧的.泗里口剖面老堡组硅质岩中草莓状黄铁矿的平均粒径、中间粒径和最大直径沿剖面向上逐渐增加,这意味着埃迪卡拉纪末期华南的深部海水有逐步被氧化的趋势. 马赛公寓【期刊名称】《岩石学报》
【年(卷),期】2009(025)004
【总页数】7页(P1001-1007)
【关键词】黄铁矿;硅质岩;埃迪卡拉纪末期;氧化还原状态;古海洋
【作 者】常华进;储雪蕾;冯连君;黄晶卓玛拉初
【作者单位】中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;中国科学院矿产资源研究重点实验室,北京100029;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;中国科学院矿产资源研究重点实验室,北京100029;中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;中国科学院矿产资源研究重点实验室,北京100029;中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;中国科学院矿产资源研究重点实验室,北京100029;中国科学院研究生院,北京100049
【正文语种】中 文
【中图分类】P572.3;P578.292椰子剥壳机
在埃迪卡拉纪(635～542Ma)地层中发现了地球上最早的动物化石(Xiao et al., 1998；Chen et al., 2004；Yin et al., 2007)。动物呼吸需要氧气，新元古代晚期大气氧增加和深海氧化为多细胞后生动物的“诞生”和演化提供了必要条件(Knoll, 1992；Marshall, 2006)。阿曼Sul
tanate地区Huqf Supergroup和中国扬子地区陡山沱组的高分辨C、S稳定同位素记录表明Marinoan冰期之后发生了三次氧化事件，导致全球海洋可能最终被氧化(Fike et al., 2006；McFadden et al., 2008)。Canfield et al.(2007)先是认为Gaskiers冰期(580Ma)之后深部海水已经彻底地氧化，造成了埃迪卡拉生物的繁盛。最近，Canfield et al.(2008)又根据海相沉积岩Fe组分的记录提出晚新元古代(<742±6Ma)全球海洋的化跃面之下是缺氧的和普遍富Fe的。新元古代晚期的深海氧化还原状态直接与多细胞后生动物的演化密切相关，受到人们普遍的关注。一个重要的问题是埃迪卡拉纪末期深海是否完全氧化？显然还存在着相互矛盾的观点。我们拟通过对我国华南埃迪卡拉纪末期深水沉积的硅质岩中草莓状黄铁矿的研究来回答这个问题。
1 原理
草莓状黄铁矿是指由等粒度的亚微米级黄铁矿微晶体紧密堆积而成，形似草莓的黄铁矿球形集合体(Love and Amstutz, 1966；Richard, 1970)。它们的直径通常为数微米到几十微米(Wilkin et al., 1996)。由于黄铁矿在硫化的(sulfidic或euxinic)和氧化(oxic)的海洋环境中形成的机理不同，沉积物或沉积岩中草莓状黄铁矿的特征和分布已经成为恢复底层海水氧
化还原状态的一种有效的手段(Wilkin et al., 1996，1997)。在硫化的海洋，例如典型的现代硫化海洋——黑海，海水是分层的，表层水氧化，在氧化还原界面之下的海水是缺氧的、含有溶解的硫化氢的。在硫化的海洋环境中草莓状黄铁矿主要在氧化还原界面之下的海水中迅速生成，那里Fe2+和硫化氢含量很高，它们具有高的生长速率。由于水动力的不稳定性，在硫化水体上层形成的黄铁矿快速下沉到海底，使得它们不能生长成较大的个体(Wilkin et al., 1996，1997)。因此，在硫化环境中形成的草莓状黄铁矿具有较小的直径，而且分布范围很窄。相反，在氧化的海洋环境中黄铁矿只能形成在水/沉积物界面之下，由于细菌硫酸盐还原作用，沉积物中若出现硫化的环境便会有草莓状黄铁矿形成，它们具有比较慢的生长速率和较长的生长时间，从而出现个头较大的黄铁矿(Wilkin et al., 1996，1997)。前人已经将草莓状黄铁矿的研究用于判定不同地质时代的黑页岩、硅质岩的沉积环境(Isozaki, 1997；Passier et al., 1997；Wilkin et al., 1997；Wignall and Newton, 1998；Hofmann et al., 2000；Wilkin and Arthur, 2001；Nielsen and Shen, 2004；Wignall et al., 2005；Loucks and Ruppel, 2007；Payne et al., 2007；Algeo et al., 2008；Chen et al., 2008；de Koff et al., 2008；Zhou and Jiang, 2009)。
2 地质背景
在埃迪卡拉纪晚期，华南扬子地块上从北向南依次发育碳酸盐岩台地相、斜坡相(过渡带)以及深海盆地相等3个相带(图1a)。这一时期在华南深水区(主要在盆地相)沉积了一套富有机碳黑硅质岩，沿着NE向延伸约1600km，呈带状分布。这套深水硅质岩为我们研究埃迪卡拉纪末期深海的氧化还原状态提供了地质样品。
图1 华南埃迪卡拉纪末期的沉积相和泗里口剖面的位置简图(a,据Steiner et al.，2001修改)及泗里口剖面图和采样位置(b)Fig.1 Map showing the location and depositional environment of the Silikou section, South China (a, modified after Steiner et al., 2001) and lithological profile of the section and sample horizons (b)
我们研究的泗里口剖面位于广西三江侗族自治县(图1a)，地层自下而上由埃迪卡拉纪的陡山沱组、老堡组以及早寒武世的清溪组组成(图1b)，它们都是深水沉积的产物(蒲心纯等，1987)。下伏的陡山沱组和上覆的清溪组都与老堡组硅质岩整合接触(图1b)。广西三江的老堡组硅质岩与湖南、黔东南的留茶坡组以及皖南的皮园村组硅质岩可以对比，它们与浅水台地的灯影组碳酸盐岩在层位上也可以对比(湖南省地质矿产局，1988)。最近的研究认为桂北地区的老堡组硅质岩主要由微生物岩构成，埃迪卡拉纪-寒武纪界线可能位于老堡组硅
质岩之内，因此硅质岩的沉积实际持续到早寒武世(胡杰，2008)。我们估计华南地区埃迪卡拉纪-寒武纪过渡时期沉积的硅质岩大致年龄在550～540Ma。
泗里口剖面的老堡组约有169m厚，主要由黑硅质岩(图1b，2a，b)组成。该组的中、下部是厚层状硅质岩；上部是中层状硅质岩，泥质成分明显增加，出现了泥页岩及其夹层(图1b)。老堡组硅质岩及页岩具有纹层状构造。
呋喃树脂砂图2 华南泗里口剖面老堡组硅质岩的照片(a，b)和硅质岩中草莓状黄铁矿的扫描电子显微镜背散射图片(c，d，e，f)Fig.2 Photos of cherts (a, b) and backscatter SEM images of pyrite framboids in cherts (c, d, e, f) of the Laobao Formation at Silikou section, South China
表1 华南泗里口剖面老堡组硅质岩中草莓状黄铁矿粒径分布统计结果
Table 1 Descriptive statistics of framboid size distributions in cherts of the Laobao Formation at Silikou section,South China
样品号岩 性深度(m)统计数量平均粒径(μm)中间粒径(μm)最大粒径(μm)标准偏差(μm)SLK-
1212554.33.910.41.90SLK-16162283.73.87.71.05SLK-31312514.44.09.71.80SLK-51514864.53.914.12.10SLK-57黑硅质岩572784.74.014.12.34SLK-74742334.74.511.51.99SLK-82822034.94.713.52.03SLK-93931986.05.314.72.45SLK-103103996.76.517.42.73SLK-1071071496.36.018.02.66
3 样品采集和研究方法
在泗里口剖面，我们选择10块老堡组硅质岩样品进行研究，每块样品在地层柱上的位置见图1b。这些样品基本涵盖了泗里口剖面老堡组的全貌，能够反映埃迪卡拉纪末期华南深部海水的氧化还原环境。
将所选硅质岩样品制成光薄片，应用中国地质科学院地质研究所的扫描电子显微镜(JEOL JSM-5610LV)在放大的背散射电子图像下对每个薄片中观察到的草莓状黄铁矿球粒的直径进行测量和记录，然后进行统计和分析。草莓状黄铁矿的外形和结构(图2c)易于识别，能够直接在荧光屏上测量其直径。
4 分析结果
所有10个样品都有草莓状黄铁矿存在，呈星散状均匀地分布在硅质岩中，没有发现明显的黄铁矿顺层分布，也没有发现成簇的或大球、多个球型的黄铁矿集合体(图2d)。在样品中也很少见到自形黄铁矿晶体和其它不规则形态的黄铁矿集合体。表1归纳了10个硅质岩样品的草莓状黄铁矿直径的统计结果。
泗里口剖面老堡组硅质岩的草莓状黄铁矿平均直径为3.7～6.7μm，其中剖面中、下部的7个样品平均直径小于5.0μm，而上部的3个样品平均直径较大，为6.0～6.7μm。它们的中间粒径为3.8～6.5μm，其中剖面中、下部的7个样品中间粒径小于5.0μm，而上部的3个样品中间粒径为5.3～6.5μm，具有和平均直径相似的特征。所测的每个硅质岩样品中最大颗粒的草莓状黄铁矿直径在7.7～18μm之间变化。
5 讨论和结论
在华南的泗里口剖面，老堡组硅质岩缺乏被充填的草莓状黄铁矿和自形的黄铁矿颗粒，表明原生的草莓状黄铁矿形成之后便停止了生长。这样，没有发生二次生长的草莓状黄铁矿的粒径分布特征才对沉积时水体的氧化还原状态具有指示意义(Wilkin et al., 1996, 1997)。在研究了许多现代海洋沉积物和沉积岩中草莓状黄铁矿之后，Wilkin et al.(1996)提出硫化电台导播
和氧化(包括次氧化)环境下沉积的草莓状黄铁矿平均粒径分别为5.0±1.7μm(±lσ)和7.7±4.1μm(±1σ)。他们认为硫化环境下仅有低于4%的草莓状黄铁矿的粒径会大于10μm；而非硫化环境下则有相当多的颗粒粒径(10%～50%)超过10μm。我们研究的老堡组硅质岩的草莓状黄铁矿平均粒径较小(3.7～6.7μm)，每个样品统计的粒径变化范围窄(图3)。此外，泗里口剖面老堡组中、下部7个样品平均粒径都小于5.0μm，上部的3个样品较大，在6.0～6.7μm之间(图3，4；表1)。从草莓状黄铁矿的粒径分布来看，下部7个样品中85%以上的颗粒粒径小于7μm，上部3个样品只有大约65%的颗粒小于7μm(图3)。所有的硅质岩样品中粒径大于10μm的草莓状黄铁矿颗粒非常少，几乎所有样品10μm以上的统计数量都少于4%(图3，4)。
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